D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.11.014 第30卷第11期 北京科技大学学报 Vol.30 No.11 2008年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2008 离心浇铸挤压复合钢管界面组织与性能 刘建彬)韩静涛解国良)鲍善勤)王黎晖) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)四川长城钢管有限责任公司，江油621700 3)新兴铸管股份有限公司，武安056300 摘要采用离心浇铸挤压工艺制备了20Cx/1C18N9Ti复合钢管.通过扫描电镜研究了试制复合钢管界面区域的显微组 织，利用拉伸实验和热疲劳实验测试了其力学性能·结果表明，采用离心浇铸挤压工艺生产的复合钢管实现了界面完全治金 结合，界面结合强度大大提高，界面处存在的过渡区增强了复合管的加工、使用性能·采用此新工艺生产的复合钢管具有较好 的组织和性能，并且工序简短，生产成本低， 关键词双金属复合管：冶金结合：组织与性能；界面结合强度 分类号TG249.4 Interfacial microstructure and properties of clad steel pipes by centrifugal casting and extruding LIU Jianbin.HAN Jingtao).XIE Guoliang,BAO Shanqin?).WANG Lihui 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Sichuan Creat Wall Steel Pipe Co.Ltd.,Jiangyou 621700.China 3)Xinxing Pipes Co.Ltd..Wuan 056300,China ABSTRACT Clad steel pipes of 20Cr/1Cr18Ni9Ti were prepared by centrifugal casting and extruding.The interfacial microstructure of the preproduction clad steel pipes was analyzed by SEM and the mechanical properties were tested by tensile test and thermal cy- cling test.The results show that the clad steel pipes get completely metallurgical bonding interface with greatly increased bonding strength and their processability and service performance are improved due to transversal area in the interface.It is indicated that not only the centrifugal casting and extruding process can be used to produce the clad steel pipes with better microstructure and properties, but also its working procedure is simple and its production cost is low. KEY WORDS bimetallic clad pipes:metallurgical bonding:microstructure and properties:bonding strength in interface 随着工业技术的发展，许多行业对金属管材综 内外两层金属难以传递和均衡外力：传统方法生产 合性能的要求越来越高山.双金属复合管由两种不 的治金复合管，界面未能实现完全冶金结合，仍存在 同金属材料构成，管层之间通过各种变形和连接技 部分间隙，并且还存在壁厚不均的缺陷，离心浇铸 术形成紧密结合2，基材满足强度要求，合金层抵 挤压生产的复合管可避免上述缺陷，界面实现完全 抗腐蚀或磨损等，复合管兼具了内外两种金属的优 冶金结合，具有优良的综合性能，本文对试制荒管 点，相对于整体合金管能有效降低成本，而且在对整 20Cr/1Cr18Ni9Ti的界面区域的组织与性能进行了 体合金管具有应力腐蚀开裂敏感性的氯化物和酸性 研究 环境中能提高安全性 双金属复合管按界面结合性质]可分为机械 1实验材料与方法 结合复合管和治金结合复合管，机械复合管的致命 1.1实验材料 缺陷是结合层存在宏观间隙，在高温环境下会因产 基层材料选用20Cr(外层)，复层材料选择 生应力松弛而分层失效，并且在受轴向力的情况下 1Crl8Ni9Ti(内层)，内外两种金属的组织金相照片 收稿日期：2007-12-07修回日期：2008-03-10 作者简介：刘建彬(1977-)，男，博士研究生，Emad:hin2001@yahoo,com-cm:韩静涛(1958一)，男，教授，博士，博士生导师
离心浇铸挤压复合钢管界面组织与性能 刘建彬1） 韩静涛1） 解国良1） 鲍善勤2） 王黎晖3） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 四川长城钢管有限责任公司江油621700 3） 新兴铸管股份有限公司武安056300 摘 要 采用离心浇铸挤压工艺制备了20Cr／1Cr18Ni9Ti 复合钢管．通过扫描电镜研究了试制复合钢管界面区域的显微组 织利用拉伸实验和热疲劳实验测试了其力学性能．结果表明采用离心浇铸挤压工艺生产的复合钢管实现了界面完全冶金 结合界面结合强度大大提高界面处存在的过渡区增强了复合管的加工、使用性能．采用此新工艺生产的复合钢管具有较好 的组织和性能并且工序简短生产成本低． 关键词 双金属复合管；冶金结合；组织与性能；界面结合强度 分类号 TG249∙4 Interfacial microstructure and properties of clad steel pipes by centrifugal casting and extruding LIU Jianbin 1）HA N Jingtao 1）XIE Guoliang 1）BA O Shanqin 2）W A NG Lihui 3） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Sichuan Great Wall Steel Pipe Co．Ltd．Jiangyou621700China 3） Xinxing Pipes Co．Ltd．Wuan056300China ABSTRACT Clad steel pipes of20Cr／1Cr18Ni9Ti were prepared by centrifugal casting and extruding．T he interfacial microstructure of the preproduction clad steel pipes was analyzed by SEM and the mechanical properties were tested by tensile test and thermal cycling test．T he results show that the clad steel pipes get completely metallurgical bonding interface with greatly increased bonding strength and their processability and service performance are improved due to transversal area in the interface．It is indicated that not only the centrifugal casting and extruding process can be used to produce the clad steel pipes with better microstructure and properties but also its working procedure is simple and its production cost is low． KEY WORDS bimetallic clad pipes；metallurgical bonding；microstructure and properties；bonding strength in interface 收稿日期：2007-12-07 修回日期：2008-03-10 作者简介：刘建彬（1977—）男博士研究生E-mail：ljbin2001＠yahoo．com．cn；韩静涛（1958—）男教授博士博士生导师 随着工业技术的发展许多行业对金属管材综 合性能的要求越来越高［1］．双金属复合管由两种不 同金属材料构成管层之间通过各种变形和连接技 术形成紧密结合［2—4］基材满足强度要求合金层抵 抗腐蚀或磨损等．复合管兼具了内外两种金属的优 点相对于整体合金管能有效降低成本而且在对整 体合金管具有应力腐蚀开裂敏感性的氯化物和酸性 环境中能提高安全性． 双金属复合管按界面结合性质［5—7］可分为机械 结合复合管和冶金结合复合管．机械复合管的致命 缺陷是结合层存在宏观间隙在高温环境下会因产 生应力松弛而分层失效并且在受轴向力的情况下 内外两层金属难以传递和均衡外力；传统方法生产 的冶金复合管界面未能实现完全冶金结合仍存在 部分间隙并且还存在壁厚不均的缺陷．离心浇铸 挤压生产的复合管可避免上述缺陷界面实现完全 冶金结合具有优良的综合性能．本文对试制荒管 20Cr／1Cr18Ni9Ti 的界面区域的组织与性能进行了 研究． 1 实验材料与方法 1∙1 实验材料 基层材料选用 20Cr （外层）复层材料选择 1Cr18Ni9Ti（内层）．内外两种金属的组织金相照片 第30卷 第11期 2008年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．11 Nov．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．11．014
.1256 北京科技大学学报 第30卷 见图1和图2，化学成分见表1. 图120Cr的显微组织 图21Crl8Ni9Ti的显微组织 Fig-1 Microstructure of 20Cr Fig.2 Microstructure of 1Cr18NiTi 表120Cr和1Cr18Ni9Ti的化学成分 Table 1 Chemical composition of 20Cr and 1Cr18Ni9Ti % 化学成分（质量分数） 材质 Si Mn P Cr Ni Ti 20Cr 0.18-0.240.17-0.37 0.50-0.80≤0.035 0.03 0.70-1.0 0.0 0.0 1Cr18Ni9Ti ≤0.07 0.75 ≤2.00 0.035 ≤0.03 17.019.08.011.05(0c-0.02)~0.8 1.2实验方法 所示 复合管试制工艺流程如图3所示.从图4(a)所 示位置切取试样，打磨、抛光和浸蚀，浸蚀试剂为王 水，用金相显微镜和扫描电镜(SEM)观察复合管界 面及其附近区域的显微组织，对试样进行室温拉伸 实验，测量其整体力学性能：对图4(b)所示试样进 行拉伸测算界面结合强度 离心浇铸 感应加热炉加热 热挤压 矫直、切头、定尺、包装人库 高温扩散退火 图3复合管试制工艺流程 Fig.3 Preproduction processing chart of clad pipes 图5双金属复合管产品 Fig-5 Products of bimetal clad pipes 2.1界面组织的SEM观察 切缝 内层 离心浇俦管坯的界面及其两侧组织的SEM照 试样 片如图6所示.由图6看出，离心铸造复合管坯的 界面以治金结合为主，界面呈现出锯齿形状的不平 外层 切缝 整的形貌.20Cr侧为铁素体和珠光体组织， (a) (b) 1Crl8Ni9Ti侧为单相奥氏体组织， 图4试样制备，(a)取样位置：(b)结合强度实验试样 热挤压后界面区域组织的$EM照片见图7，从 Fig.4 Preparation of specimens:(a)position of specimens:(b) 图7中观察出，挤压后界面及两侧组织得到明显改 specimen for bonding strength testing 善，结合界面变得较平整.在界面附近不锈钢侧，基 体中分布有细小的第二相组织，形成细晶带 2实验结果 高温扩散退火后界面区域组织的SEM照片见 采用离心浇铸热挤压工艺生产的复合管如图5 图8和图9.高温扩散退火后界面冶金结合程度进
见图1和图2化学成分见表1． 图1 20Cr 的显微组织 Fig．1 Microstructure of 20Cr 图2 1Cr18Ni9Ti 的显微组织 Fig．2 Microstructure of 1Cr18Ni9Ti 表1 20Cr 和1Cr18Ni9Ti 的化学成分 Table1 Chemical composition of 20Cr and1Cr18Ni9Ti ％ 材质 化学成分（质量分数） C Si Mn P S Cr Ni Ti 20Cr 0∙18～0∙24 0∙17～0∙37 0∙50～0∙80 ≤0∙035 ≤0∙03 0∙70～1∙0 0∙0 0∙0 1Cr18Ni9Ti ≤0∙07 ≤0∙75 ≤2∙00 ≤0∙035 ≤0∙03 17∙0～19∙0 8∙0～11∙0 5（ wC—0∙02）～0∙8 1∙2 实验方法 复合管试制工艺流程如图3所示．从图4（a）所 示位置切取试样打磨、抛光和浸蚀浸蚀试剂为王 水．用金相显微镜和扫描电镜（SEM）观察复合管界 面及其附近区域的显微组织．对试样进行室温拉伸 实验测量其整体力学性能；对图4（b）所示试样进 行拉伸测算界面结合强度． 图3 复合管试制工艺流程 Fig．3 Preproduction processing chart of clad pipes 图4 试样制备．（a） 取样位置；（b） 结合强度实验试样 Fig．4 Preparation of specimens：（a） position of specimens；（b） specimen for bonding strength testing 2 实验结果 采用离心浇铸热挤压工艺生产的复合管如图5 所示． 图5 双金属复合管产品 Fig．5 Products of bimetal clad pipes 2∙1 界面组织的 SEM观察 离心浇铸管坯的界面及其两侧组织的 SEM 照 片如图6所示．由图6看出离心铸造复合管坯的 界面以冶金结合为主界面呈现出锯齿形状的不平 整的 形 貌．20Cr 侧 为 铁 素 体 和 珠 光 体 组 织 1Cr18Ni9Ti 侧为单相奥氏体组织． 热挤压后界面区域组织的SEM 照片见图7．从 图7中观察出挤压后界面及两侧组织得到明显改 善结合界面变得较平整．在界面附近不锈钢侧基 体中分布有细小的第二相组织形成细晶带． 高温扩散退火后界面区域组织的 SEM 照片见 图8和图9．高温扩散退火后界面冶金结合程度进 ·1256· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第11期 刘建彬等：离心浇铸挤压复合钢管界面组织与性能 .1257. 200μm 30m 图6离心浇铸管坯界面显微组织 图9图8中结合界面放大图 Fig6 Interfacial microstructure of centrifugal casting Fig.9 Enlargement of the bonding interface in Fig.8 0,3@NiKa:73337617e\ 30 104 010.0 30.551.0 71.5 92.0112.5 41 1004m 400 b)CrKa):5217-5557eV 240 图7热挤压荒管界面显微组织 黛 80 Fig.7 Interfacial microstructure after hot extrusion 010.030.551.071.592.0112.5 2500 41 (⊙)TiKa):43684654cV 一步增强，并最终实现完全冶金结合·此外，在持续 1500 高温状态下，细晶带处的晶粒粗化，不断合并长大， 500 010.0 最终导致细晶带的消除 30.551.071.592.0112.5 扫描距离μm 图10离心管坯界面合金元素分布 Fig.10 Element distribution near the bonding interface of centrifu gal casting 2.2界面结合强度 对成品复合管20Cr/1Cr18Ni9Ti进行力学性能 实验，结果如表2所示.显然整体复合管具有超过 基体的力学性能.沿复合管轴向切取25mm× 500m 150mm条形试样，加工成图4(b)所示形状，进行纵 向拉伸测试其界面结合强度，结果表明：基层20Cr 图8高温扩散退火后复合管界面显微组织 断裂而结合界面仍未分离开裂，GB/T5310中20Cr Fig.8 Interfacial microstructure of a clad pipe after high tempera- 的o≥412MPa,因此界面结合强度412MPa以上. ture diffusion annealing 通过图12中车削加工下来的钢屑可以看出，两层金 离心浇铸复合管坯和热挤压复合荒管的界面能 属没有出现任何分离和开裂的现象，仍然保持一个 谱图如图10和图11所示，由图10和图11可知， 整体，如同车削加工单种金属，机加工过程对钢屑 热挤压后界面处合金元素互扩散深度增加，浓度变 是一个高温大变形的过程，在如此剧烈的变形条件 化比较平缓，有明显的过渡区，没有突变的迹象，因 下复合管钢屑并无分层现象，表明该复合管具有很 此界面治金结合程度增高，结合强度增大 高的界面结合强度
图6 离心浇铸管坯界面显微组织 Fig．6 Interfacial microstructure of centrifugal casting 图7 热挤压荒管界面显微组织 Fig．7 Interfacial microstructure after hot extrusion 一步增强并最终实现完全冶金结合．此外在持续 高温状态下细晶带处的晶粒粗化不断合并长大 最终导致细晶带的消除． 图8 高温扩散退火后复合管界面显微组织 Fig．8 Interfacial microstructure of a clad pipe after high-temperature diffusion annealing 离心浇铸复合管坯和热挤压复合荒管的界面能 谱图如图10和图11所示．由图10和图11可知 热挤压后界面处合金元素互扩散深度增加浓度变 化比较平缓有明显的过渡区没有突变的迹象因 此界面冶金结合程度增高结合强度增大． 图9 图8中结合界面放大图 Fig．9 Enlargement of the bonding interface in Fig．8 图10 离心管坯界面合金元素分布 Fig．10 Element distribution near the bonding interface of centrifugal casting 2∙2 界面结合强度 对成品复合管20Cr／1Cr18Ni9Ti 进行力学性能 实验结果如表2所示．显然整体复合管具有超过 基体的力学性能．沿 复 合 管 轴 向 切 取25mm× 150mm条形试样加工成图4（b）所示形状进行纵 向拉伸测试其界面结合强度．结果表明：基层20Cr 断裂而结合界面仍未分离开裂GB／T5310中20Cr 的σb≥412MPa因此界面结合强度412MPa 以上． 通过图12中车削加工下来的钢屑可以看出两层金 属没有出现任何分离和开裂的现象仍然保持一个 整体如同车削加工单种金属．机加工过程对钢屑 是一个高温大变形的过程在如此剧烈的变形条件 下复合管钢屑并无分层现象表明该复合管具有很 高的界面结合强度． 第11期 刘建彬等： 离心浇铸挤压复合钢管界面组织与性能 ·1257·
,1258 北京科技大学学报 第30卷 可知：即使在苛刻的热冲击环境中使用，也可保证界 面不会发生分层现象， 600 (a)CrKa):527I-5557cV 400 200W 15.0 610030551075920125 (b)Ni(Ka):7333-7617cV 20 wwwv L150 010.030.551.071.592.0112.5 60r 35 (e)TiKa:43684654eV twwww/hiii 40M 图13550℃热循环试样外壁 20 Fig-13 Outer wall of the specimen after the 550C thermal cycling 15.0 0010.030.551.071592.01125 扫描距离m 图11热挤压后界面合金元素分布 Fig-11 Element distribution near the bonding interface after hot ex- trusion 表2复合管20Cr/1Cr18Ni9Ti力学性能 Table 2 Mechanical properties of 20Cr/1Cr18Ni9Ti clad pipes 材质 a/MPa a/MPa 65/% 20Cr/1Cr18Ni9Ti 404 636 25 图14550℃热循环试样内壁 20Cr,GB/T5310标准要求 ≥245 ≥412 ≥24 Fig-14 Inner wall of the specimen after the 550C thermal cycling 1Cr18N9Ti,GB/T1220标准要求≥205≥520 ≥40 3结果分析 在异种金属固相扩散复合中，在压力和温度的 共同作用下，复合过程大致可分为三个阶段[8]：第 一阶段是物理接触的形成阶段，也就是两种材料的 原子依靠塑性变形或离心力，在整个界面上相互接 近到能够引起物理作用的距离，这时，位错消失而 使塑性材料的接触表面激活，形成弱化学键的条件， 第二阶段使接触表面激活，形成激活中心，然后在界 面两侧之间产生物理和化学的相互作用，最后形成 化学键，所以也称化学相互作用阶段，已经使物理 接触面实现化学结合后，金属材料通过结合面向四 图1220Cr/1Cr18Ni9Ti复合管车削加工钢屑 周扩散的阶段为第三阶段.在这一阶段，既要在接 Fig.12 Steel clips of a 20Cr/1Cr18NiTi clad pipe 触面上形成牢固的化学键（结合），又要从接触的 “面发展到“体”，并最终实现牢固的冶金结合 2.3热疲劳性能 本研究中，从离心铸造到热挤压再到高温扩散 20Cr/1Cr18Ni9Ti复合管在550℃、500次热循 退火，每一道工序都加大了界面治金结合的程度，提 环后内外壁情况如图13和图14所示，690次热循 高了结合强度.界面组织演化特征见图15 环后出现裂纹，700次热循环后裂纹严重，经700次 离心浇铸管坯过程中，两种金属在高温下（内层 热循环后内外径尺寸变化不大，0~690次热循环 为液态，外层部分重熔)，并借助离心力的作用，界面 间急冷急热区没有发现裂纹等缺陷，通过疲劳实验 元素扩散实现治金结合，但仍有间隙。同时，由于外
图11 热挤压后界面合金元素分布 Fig．11 Element distribution near the bonding interface after hot extrusion 表2 复合管20Cr／1Cr18Ni9Ti 力学性能 Table2 Mechanical properties of 20Cr／1Cr18Ni9Ti clad pipes 材质 σs／MPa σb／MPa δ5／％ 20Cr／1Cr18Ni9Ti 404 636 25 20CrGB／T5310标准要求 ≥245 ≥412 ≥24 1Cr18Ni9TiGB／T1220标准要求 ≥205 ≥520 ≥40 图12 20Cr／1Cr18Ni9Ti 复合管车削加工钢屑 Fig．12 Steel clips of a20Cr／1Cr18Ni9Ti clad pipe 2∙3 热疲劳性能 20Cr／1Cr18Ni9Ti 复合管在550℃、500次热循 环后内外壁情况如图13和图14所示690次热循 环后出现裂纹700次热循环后裂纹严重经700次 热循环后内外径尺寸变化不大．0～690次热循环 间急冷急热区没有发现裂纹等缺陷．通过疲劳实验 可知：即使在苛刻的热冲击环境中使用也可保证界 面不会发生分层现象． 图13 550℃热循环试样外壁 Fig．13 Outer wall of the specimen after the550℃ thermal cycling 图14 550℃热循环试样内壁 Fig．14 Inner wall of the specimen after the550℃ thermal cycling 3 结果分析 在异种金属固相扩散复合中在压力和温度的 共同作用下复合过程大致可分为三个阶段［8］：第 一阶段是物理接触的形成阶段也就是两种材料的 原子依靠塑性变形或离心力在整个界面上相互接 近到能够引起物理作用的距离．这时位错消失而 使塑性材料的接触表面激活形成弱化学键的条件． 第二阶段使接触表面激活形成激活中心然后在界 面两侧之间产生物理和化学的相互作用最后形成 化学键所以也称化学相互作用阶段．已经使物理 接触面实现化学结合后金属材料通过结合面向四 周扩散的阶段为第三阶段．在这一阶段既要在接 触面上形成牢固的化学键（结合）又要从接触的 “面”发展到“体”并最终实现牢固的冶金结合． 本研究中从离心铸造到热挤压再到高温扩散 退火每一道工序都加大了界面冶金结合的程度提 高了结合强度．界面组织演化特征见图15． 离心浇铸管坯过程中两种金属在高温下（内层 为液态外层部分重熔）并借助离心力的作用界面 元素扩散实现冶金结合但仍有间隙．同时由于外 ·1258· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第11期 刘建彬等：离心浇铸挤压复合钢管界面组织与性能 ,1259 复合管实现了界面完全冶金结合，界面结合强度达 到412MPa以上，即使在苛刻的热冲击环境中使用， 也可保证界面不会发生分层现象 2)在热挤压、高温扩散退火过程中，由于C原 子等的扩散，界面附近微观区域中有第二相形成，产 生细晶带.随扩散时间延长，第二相分布带变宽，形 成过渡区，同时细晶带晶粒迅速长大，细晶带逐渐 消失。 200μm (a)浇铸管坯 (b)热挤压后 (©)高温扩散退火后 参考文献 [1]GuJZ.Use and production method of bimetallic clad steel tubes 图15复合管界面组织演化特征 overseas.Shanghai Met.2000.22(4):22 Fig-15 Microstructure evolution of bonding interface (顾建忠.国外双层金属复合钢管的用途及生产方法·上海金 层金属内表面部分重熔及成分偏析，导致界面形状 属，2000,22(4)：22) [2]Zhao W M.Production techniques of metal composite pipe.Weld 呈不平整锯齿形， Pipe Tube,2003,26(3):11 热挤压过程中，当挤压坯料[]截面缩减到10：1 (赵卫民.金属复合管生产技术综述.焊管，2003,26(3)：11) 时，高的挤压压力和温度会在界面处产生“压力焊” [3]Dobis J D.Chakravarti B.Clad piping components for refinery 的焊接效应，促进界面间的快速扩散和广泛结合，实 applications.Mater Perform.1997.10(2):29 现更大程度治金结合，同时，界面附件不锈钢侧出 [4]Chao P F,Yang L F.Yu Q.et al.Application and forecast of 现细小第二相组织，并形成细晶带. plastic forming technology in fabricating metal composite tube. Plast Eng,2005,12(2):42 高温扩散退火后界面两侧晶粒均有明显长大， (巢鹏飞，杨连发，于强，等.塑性成形技术在金属复合管制备 在界面附近碳钢侧，珠光体组织明显有所减少，与 中的应用及展望.塑性工程学报，2005,12(2)：42) 此同时，在界面附近不锈钢侧，观察到其中分布有大 [5]Chen M H.Cai T G.General introduction to overseas production 量细小的第二相组织，随扩散时间延长，出现第二 of dual-metal clad steel pipes.Steel Pipe,1997.26(6):23 相的区域变宽，第二相晶粒变粗大，扩散时间足够长 (陈明徽，蔡体刚国外双金属复合钢管生产概况，钢管，1997， 26(6):23) 时，可消除细晶带 [6]Bernard.Crossland.Explosive Welding of Metals and Its Appli- 高温扩散过程中，扩散系数与扩散温度的关系 cation.Oxford:Clarendon Press,1982:107 符合Arrhenius图1o].扩散系数D随着扩散温度T [7]Duan H P,Yin S,Liu M.et al.New process to produce stainless 升高而迅速增大，导致单位时间内通过界面单位面 steel lined composite pipe.JUniv Sci Technol Beijing.1996.18 积的原子数量增多，意味着界面区域的互扩散进行 (4):334 (段辉平，殷声，柳牧，等.一种制备不锈钢内衬复合钢管的新工 的更加激烈，界面处的金属键结合更加牢固，宏观上 艺.北京科技大学学报，1996,18(4)：334) 表现为界面结合强度逐渐增高，在高温下，C、Fe、Cr [8]He K S,Cao X F.Dissimilar Metals Welding.Beijing:Me 和Ni等原子将越过界面进行扩散.由于C原子尺 chanical Industry Press.1986:118 寸很小，且C与Cr的亲和力远大于C与Fe的亲和 (何康生，曹雄夫，异种金属焊接.北京：机械工业出版社， 力，因此在高温下C原子从碳钢一侧越过界面向不 1986:118) [9]Flatley T,Thursfield T.Review of corrosion resistance coextrud- 锈钢中扩散的距离较远，且在一定条件下可能形成 ed tube development for power boilers//Conference on Coatings Cr的碳化物山.C原子从碳钢侧向不锈钢侧的扩 and Bimetallic for Energy Systems and Chemical Process Envi- 散将使界面附近碳钢中的珠光体组织减少，而不锈 ronments in South Carolina.Carolina:1984:18 钢侧的第二相则是Cr的碳化物， [10]Haasen P.Physical Metallurgy.London:The Cambridge Uni- versity Press.1978:156 4结论 [11]Gomez X.Echeberria J.Microstructure and mechanical proper- ties of low alloy steel Tll-austenitic stainless steel 347H bimetal- 1)采用离心浇俦十热挤压工艺生产的双金属 lie tubes.Mater Sci Technol,2000,16(4):187
图15 复合管界面组织演化特征 Fig．15 Microstructure evolution of bonding interface 层金属内表面部分重熔及成分偏析导致界面形状 呈不平整锯齿形． 热挤压过程中当挤压坯料［9］截面缩减到10∶1 时高的挤压压力和温度会在界面处产生“压力焊” 的焊接效应促进界面间的快速扩散和广泛结合实 现更大程度冶金结合．同时界面附件不锈钢侧出 现细小第二相组织并形成细晶带． 高温扩散退火后界面两侧晶粒均有明显长大． 在界面附近碳钢侧珠光体组织明显有所减少．与 此同时在界面附近不锈钢侧观察到其中分布有大 量细小的第二相组织．随扩散时间延长出现第二 相的区域变宽第二相晶粒变粗大扩散时间足够长 时可消除细晶带． 高温扩散过程中扩散系数与扩散温度的关系 符合 Arrhenius 图［10］．扩散系数 D 随着扩散温度 T 升高而迅速增大导致单位时间内通过界面单位面 积的原子数量增多意味着界面区域的互扩散进行 的更加激烈界面处的金属键结合更加牢固宏观上 表现为界面结合强度逐渐增高．在高温下C、Fe、Cr 和 Ni 等原子将越过界面进行扩散．由于 C 原子尺 寸很小且 C 与 Cr 的亲和力远大于 C 与 Fe 的亲和 力因此在高温下 C 原子从碳钢一侧越过界面向不 锈钢中扩散的距离较远且在一定条件下可能形成 Cr 的碳化物［11］．C 原子从碳钢侧向不锈钢侧的扩 散将使界面附近碳钢中的珠光体组织减少而不锈 钢侧的第二相则是 Cr 的碳化物． 4 结论 1） 采用离心浇铸＋热挤压工艺生产的双金属 复合管实现了界面完全冶金结合界面结合强度达 到412MPa 以上即使在苛刻的热冲击环境中使用 也可保证界面不会发生分层现象． 2） 在热挤压、高温扩散退火过程中由于 C 原 子等的扩散界面附近微观区域中有第二相形成产 生细晶带．随扩散时间延长第二相分布带变宽形 成过渡区同时细晶带晶粒迅速长大细晶带逐渐 消失． 参 考 文 献 ［1］ Gu J Z．Use and production method of bimetallic clad steel tubes overseas．Shanghai Met200022（4）：22 （顾建忠．国外双层金属复合钢管的用途及生产方法．上海金 属200022（4）：22） ［2］ Zhao W M．Production techniques of metal composite pipe．Weld Pipe T ube200326（3）：11 （赵卫民．金属复合管生产技术综述．焊管200326（3）：11） ［3］ Dobis J DChakravarti B．Clad piping components for refinery applications．Mater Perform199710（2）：29 ［4］ Chao P FYang L FYu Qet al．Application and forecast of plastic forming technology in fabricating metal composite tube．J Plast Eng200512（2）：42 （巢鹏飞杨连发于强等．塑性成形技术在金属复合管制备 中的应用及展望．塑性工程学报200512（2）：42） ［5］ Chen M HCai T G．General introduction to overseas production of dua-l metal clad steel pipes．Steel Pipe199726（6）：23 （陈明徽蔡体刚．国外双金属复合钢管生产概况．钢管1997 26（6）：23） ［6］ BernardCrossland．Explosive Welding of Metals and Its Application．Oxford：Clarendon Press1982：107 ［7］ Duan H PYin SLiu Met al．New process to produce stainless steel lined composite pipe．J Univ Sci Technol Beijing199618 （4）：334 （段辉平殷声柳牧等．一种制备不锈钢内衬复合钢管的新工 艺．北京科技大学学报199618（4）：334） ［8］ He K SCao X F．Dissimilar Metals Welding．Beijing：Mechanical Industry Press1986：118 （何康生曹雄夫．异种金属焊接．北京：机械工业出版社 1986：118） ［9］ Flatley TThursfield T．Review of corrosion resistance coextruded tube development for power boilers∥ Conference on Coatings and Bimetallic for Energy Systems and Chemical Process Environments in South Carolina．Carolina1984：18 ［10］ Haasen P．Physical Metallurgy．London：The Cambridge University Press1978：156 ［11］ Gomez XEcheberria J．Microstructure and mechanical properties of low alloy steel T11-austenitic stainless steel347H bimetallic tubes．Mater Sci Technol200016（4）：187 第11期 刘建彬等： 离心浇铸挤压复合钢管界面组织与性能 ·1259·